스마트 그리드를 위한 무선 M-Bus
오늘날 에너지 수요는 전 세계적으로 증가하고 있다. 이를 해결하기 위한 세 가지 주요 방법으로는 에너지 믹스 최적화, 효율성 증대, 스마트 그리드를 들 수 있다. 이 중 스마트 그리드는 다양한 기술을 접목하여 에너지 관리를 개선하는 방식으로, 에너지 공급자 및 최종 사용자 사이에 에너지 그리드를 위한 양방향 커뮤니케이션을 향상시킨다.
스마트 그리드 시나리오에 있어서 중요한 요소로는 원격 계량기 검침 시스템(Automatic Meter Reading, 이하 AMR) 기능을 갖춘 스마트 계량기 (에너지, 가스 및 수도 계량기 등)를 들 수 있다. AMR은 각 개인의 계량기와 에너지 공급사인 공익사업체 사이의 양방향 커뮤니케이션을 도입한다. 이를 통해 사용자는 요청을 받았을 때 또는 정기적으로 청구서를 보낼 수 있으며, 반대로, 에너지 공급사는 각 사용자의 계량기를 원격으로 유지보수 하거나 연결 및 차단할 수 있고, 실시간 에너지 요금 정보를 보낼 수 있다.
커뮤니케이션 기능을 갖춘 스마트 계량기 시스템의 장점은, 실시간 검침 데이터를 이용하여 에너지 소모 패턴 및 개별 사용자의 피크 수요를 분석할 수 있다는 것이다. 이와 같은 정보는 업체뿐만 아니라 소비자에게도 유용 하다.
업체의 경우, 그리드의 전체적인 부하 상태에 따라 피크 및 오프-피크 요금을 다양하게 제공할 수 있다. 또한 사용자의 경우, 낮은 요율이 적용되는 오프-피크 시간대에 에너지 소모가 많은 활동을 계획할 수 있다. 업체는 피크 시간대에만 전력을 생산하고 그 외 시간대에는 유휴 상태로 되는 기존의 발전소 운영 방식에서 벗어날 수 있다. 이를 통해 시스템의 경제적 효율성 및 안정성도 개선할 수 있다. 또한, 자동화된 데이터 수집을 통해 각 지역의 에너지 하중을 읽고 분배하는 업무나 인간적인 실수를 줄이는 데 도움을 받을 수 있다.
스마트 계량기와 에너지 공급자 사이에는 여러 종류의 네트워크 토폴로지 및 연결 방법이 있다. 즉, 스마트 계량기는 RF나 전력선통신(Power Line Communication, PLC)을 이용하여 로컬 데이터 컨센트레이터(Data Concentrator)와 데이터를 교환할 수 있다. 데이터 컨센트레이터는 GPRS 연결을 이용하여 업체와 실시간으로 커뮤니케이션할 수 있다. 또한 스마트 계량기는 표준형이나 고유의 프로토콜을 이용하여 수도, 가스, 난방 계량기 등 다른 계량기와 정보를 교환하고 동기화할 수 있어야 한다. AMR 구현에는 다양한 표준을 이용할 수 있다.
무선 M-Bus
M-Bus(Meter Bus)는 AMR 구현에 이용되는 원격 에너지 계량기 검침용 공통 표준이다. 유럽 표준(EN 13757-2 물리적, 링크 레이어/EN 13757-3 애플리케이션 레이어)에 기반을 두고 있다. 난방 계량기의 경우, 유럽 표준 EN 1434도 준수한다. M-Bus 인터페이스는 2선식(two-wire) 트위스트 케이블상으로 커뮤니케이션하도록 되어 있어 비용 효율성이 우수하다. M-Bus는 링형(Ring Network)을 제외한 모든 종류의 네트워크 토폴로지(선형, 스타형 등)를 이용할 수 있으며 이를 통해 장거리 커뮤니케이션이 가능하다. 데이터 요청이 있을 시 계량기가 컨센트레이터로 데이터를 보내 근거리나 원격으로 활용할 수 있도록 한다.
M-Bus의 무선 이형인 ‘무선 M-Bus(Wireless Meter bus, WM-BUS)’는 EN 13757-4에 특화되어 있다. 무선 M-Bus는 RF sub 1GHz의 AMR 개방형 표준이다. 관련 표준 문서는 다음과 같다.
· 유럽 표준 prEN13757-4:2011 무선 계량기 검침
· 유럽 표준 EN13757-3:2004 전용 애플리케이션 레이어(M-Bus와 마찬가지)
· ETSI EN 300 220 v2.3.1
물리적, 데이터 링크 레이어의 경우 무선 M-Bus 표준은 유럽 표준 EN 13757-4로, 애플리케이션 레이어는 EN 13757-3 표준으로 정의된다. 해당 표준에서는 원격 계량기, 모바일 판독기, 고정 수신기, 데이터 수집기 사이의 커뮤니케이션을 정의한다. 통상적인 애플리케이션 시나리오는 그림 2와 같다.
WMBUS 표준은 배터리 계량기의 배터리 수명을 늘리도록 설계되어 있어 일반적으로 계량기의 수명이 다할 때까지 배터리를 교체할 필요가 없다. 무선 M-Bus는 표 1과 같이 OSI 모델에 맵핑될 수 있다. 
무선 M-Bus 표준의 특징은 다음과 같다.
① 계량기와 단방향 및 양방향 커뮤니케이션 지원
② 애플리케이션 요건에 따라 다양한 커뮤니케이션 모드(S, C, T, R, F, N) 지원
③ 데이터 보안을 위한 AES-128 CTR 암호화 지원
④ 라이센스가 없는 ISM, SRD 주파수 대역 169,433 및 868MHz에서 작동
⑤ 고장 및 알람 표시 제공
보다 상세한 내용은 EN 13757-4 표준 문서에서 확인할 수 있다.
물리적 레이어의 경우, EN 13757-4 표준에 계량기의 최대 송전량 및 최저 수신감도에 따른 다양한 성능 등급이 명시되어 있다.
EN 13757-4 표준의 데이터 링크 레이어는 두 가지의 다른 프레임 포맷(A, B)를 지원한다. 표준 무선 M-Bus 프레임에서의 데이터 링크 레이어는 즉각 프리앰블 칩 시퀀스(Preamble Chip Sequence)를 따르게 된다. 데이터 링크 레이어는 링크 레이어 데이터와 선택적 애플리케이션 레이어의 페이로드 정보를 전달한다. C, F 모드를 제외한 잔여 모드는 프레임 포맷 A만 지원한다. 그리고 C, F모드의 경우 프리앰블 칩 시퀀스 패턴에서 프레임 포맷을 알아낼 수 있다.
무선 M-Bus 표준에서는 AES 128 카운터 모드 암호 방식과 같은 최적화된 암호 모드를 이용하여 페이로드 데이터 암호화를 실행할 수 있다.
ST는 SPIRIT1이라는 새로운 RF Sub-1 GHz 트랜시버와 초저전력ARM CortexTM-M3 마이크로컨트롤러 STM32L15으로 이루어진 듀얼 칩 플랫폼을 기반으로 하여 자체 무선 M-Bus 펌웨어 스택을 개발했다.
SPIRIT1
SPIRIT1(그림 3)은 전력소모가 매우 낮은 고성능 RF 트랜시버로, sub-1 GHz 대역에서 RF 무선 애플리케이션을 실행할 수 있다. 또한 169, 315, 433, 868 및 915MHz에서 작동하도록 설계되었으며 2-FSK, GFSK, MSK, OOK, ASK 모듈레이션을 지원한다.
에어데이터 속도는 모듈레이션 선택에 따라 1에서 500kbps까지 설정 가능하다. 또한 통합 SMPS로 매우 낮은 전력 소비(Rx : 9mA, TX : 21mA @＋11dBm)가 가능하다. SPIRIT1은 디스크리트 외부 부품을 매우 적게 사용하고 데이터 관리, 모듈레이션, 디모듈레이션을 지원하는 컨피규러블 베이스밴드 모뎀을 통합한다.
데이터 관리에서 있어서는 독점적인 프로그래머블 패킷 포맷으로 데이터를 관리할 수 있으며, M-Bus 표준 컴플라이언스 포맷(모든 성능 등급)도 허용한다. SPIRIT1은 하드웨어에서 하위 레벨 WMBUS PHY 프로토콜을 지원한다.
ST 초저전력 MCU : EnergyLiteTM 제품군
WMBUS 시나리오에서 가스, 수도 및 난방 계량기는 통상 배터리로 구동되며 배터리 수명을 고려하여 에너지 효율성이 우수한 디바이스를 필요로 한다. EnergyLiteTM 제품군은 8비트(STM8L) 및 32비트(STM32L) MCU로, 초저전력이면서도 높은 성능을 제공한다.
STM8L과 STM32L은 고성능 초저전력 모드, 최적화된 동적 전류 소모 및 특정 보안 기능 등 초저전력 애플리케이션에 특정 기능을 제공한다. 또한 초저전력 EnergyLite 플랫폼은 고유의 130nm 초저 누설 공정 기술에 기반한 것으로, STM8L과 STM32L의 경우 기술, 아키텍처 및 주변기기를 공통으로 공유한다.
ARMⓡ CortexTM-M3에 기반한 STM32 L1 시리즈는 성능에 무리를 주지 않고 초저전력 소모를 제공한다. 단순한 초저전력 MCU가 아니라 다양한 기능, 메모리 크기, 패키지 핀으로 구성된 여러 가지 포트폴리오를 제공한다. 포트폴리오는 32KB~384KB 플래시 메모리(최대 48KB RAM, 12KB의 임베디드 EEPROM), 48-144핀을 커버한다.
이와 같이 혁신적인 아키텍처(전압 스케일링, 초저전력 MSI 오실레이터)는 매우 낮은 전력 예산으로 설계 성능을 높일 수 있도록 해준다. STM32 L1 시리즈는 USB, LCD 인터페이스, OP 앰프, 콤퍼레이터, 빠른 온/오프 모드의 ADC, DAC, 정전식 터치, AES 등 다수의 임베디드 주변기기를 통해 고객의 모든 요건을 충족시킬 수 있는 확장형 플랫폼을 제공한다.
SPIRIT1, STM32L을 이용하여 ST 무선 M-Bus 스택 구현
EN 13757-4 : 2011.10 표준 기반 ST 무선 M-Bus 스택은 다음과 같은 모드들을 지원한다. WMBUS 프로토콜 스택은 ST의 듀얼 칩 플랫폼을 기반으로 하여 개발되었다. SPIRIT1은 WMBUS 물리적 레이어의 일부만 구현하며, PHY 및 링크 펌웨어 스택 레이어는 STM32L15x, 초저전력 ARM Cortex-M3에서 구현된다.
1. STM32L의 역할
① WMBus 애플리케이션 레이어
② WMBus 링크 레이어
· MAC 패킷 및 CRC 핸들링
· 암호화/해독 계획 및 읽음
③ WMBus PHY
· WMBus Init PHY
· 인터럽트 서비스
2. SPIRIT1의 역할
① WMBus 모드
② 헤더, 싱크, 트레일러 필드
③ Manchester/3-out-of-6 암호화
④ 싱크 감지
⑤ Tx, RX FIFO
⑥ 데이터 모듈레이션, 디모듈레이션
⑦ RF TX, RX 기능
그림 6은 인터페이스 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 이 스택은 계량기 및 컨센트레이터 디바이스 유형을 모두 지원한다. 또한 무선 M-Bus PC GUI 소프트웨어도 있는데, 이 PC-GUI를 이용하면 W-MBUS 네트워크에 속한 각 계량기의 상태와 관련 에너지 소비를 모니터링하고 다양한 WMBUS S, T, R, N 형태를 설정할 수 있다.
PC 소프트웨어는 USB HID(Human Interface Device) 프로토콜을 이용하여 컨센트레이터 보드 또는 계량기 보드와 커뮤니케이션이 가능하다. 해당 프로토콜은 버스 애그나스틱(Bus Agnostic)으로 블루투스 및 기타 유무선 기술 등 다양한 트렌스포트로 포팅될 수 있다. 이러한 사양은 USB를 통해 HID로 커뮤니케이션할 수 있는 단순 입력 장치를 위해 프로토콜, 절차 및 기능들을 식별하도록 한다.
데이터는 PC 소프트웨어 상에서 그림 8과 같이 표시된다. 
이 시나리오를 완성시키기 위해, ST의 STEVAL-IPG001V1이라는 169 및 868MHz의 WMBUS 연결 가능한 가스 계량기 데모 보드가 곧 출시될 것이다.
KR HARIHARASUDHAN, Filippo COLAIANNI, Michele SARDO, Ramkumar S, Neha KOCHHAR STMicroelectronics
